Мы видим, что хар-ки отличаются друг от друга. Так, например, если ИВлаг 1 дает показания при сопротивлении 100 ком равным 35, 2 % W, то для ИВлаг 2 при том же сопротивлении значение влажности будет соответствовать 50 %. Таким образом разность показаний между двумя ИВлаг dW = 14,8 %. Естественно при уменьшении влажности эти расхождения будут уменьшаться.
Статическая хар-ка зависимости активного сопротивления от влажности, построенная в логарифическом масштабе по оси сопротивлений имеет перегиб в точке соответствующей 30 % влажности.
В диапазонах от 0–30 % и 0–150 % влажности электрические свойства древесины изменяются от проводника до диэлектрика по мере уменьшения влажности.
Формула измерения сопротивления показывает зависимость сопротивления от таких параметров как удельное сопротивление древесины р, площадь поверхности электродов S, расстояние между электродами d.
В дополнительную Погр измерения может входить площадь контакта игл с древесным веществом и степень ее прижима. Чем толще игла, тем сильнее образуется контакт и происходит отжим влаги в месте контакта. Уплотненное древесное пространство между игольчатым электродом и основной массой древесины имеет аналогию включения дополнительного сопротивления.
Это мы показываем на рис. 12.3.
Рис. 12.3. Причины образования Погр при контактировании в месте соприкосновения иглы с древесиной и их электрическая интерпретация.
13. Временной дрейф влаги в процессе контроля
На точность измерения влияют поверхностная и внутренняя влага. Поверхностная влага формируется в результате конденсата, выпадения дождя. Внутренняя влага создается в результате недосушки древесины и зависит от времени вылеживания древесины после сушки и времени измерения.
Точкой отсчета берется начальный момент измерения только что просушенной древесины. Затем эти образцы, которые не теряют свою влагу замеряются через час и затем, через 20 часов. Таким образом мы видим, что хар-ка изменяет свое местоположение, хотя значение действительной влажности не меняется.
Рис. 13. Семейство зависимостей R=f(W%), построенных при временном дрейфе влаги в процессе контроля.
На практике для конкретного ИВлаг рис. 9.11 означает следующее: при измерении влажности в начале мы имеем показание 18,7 %, через час оно изменилось до 20,1 %, через 20 часов мы определили, что оценка влажности стала равна 23,1 %. То есть Погр измерения от такого временного перераспределения влаги внутри образца дает Погр в смещении хар-к на dW= 4,4 %. На самом деле влажность образца в действительности не менялась и была равна 21,2 %.
Эти выкладки позволяют нам сделать следующий вывод: в зависимости места и времени контроля влажности при неравномерно распределенной влажности мы будем получать разные значения влажности. Погр измерения только в этом случае составила d=4,4 %.
14. Влияние температуры древесины
Известно, что электрическое сопротивление древесины изменяется под воздействием температуры. Однако вопрос, касающийся корректировки по температуре не так прост. При втыкании игл в диэлектрик мы должны реально представлять весь процесс взаимодействия. В процессе контактирования тепло в месте соединения будет распределяться между иглой и древесиной. Следовательно по всему объему будет одно значение температуры, а по месту соединения будет возникать иная температура. Это мы показываем на рис. 14.
Рис. 14. Графическая интерпретация места соединения иглы с древесиной и распределения температур в месте контактирования.
Температура в месте контактирования будет значительно ниже, так как игла обладает другой теплопроводностью и энергии для равномерного распределения температуры не будет достаточно для выравнивания. Кроме того у диэлектрика (древесины) отсутствует дополнительная энергия для поддержания температуры в месте контакта, так как сама древесина обладает низкой теплопроводностью и теплоемкостью.
Следовательно, коррректировка по температуре носит чаще рекламный характер. Она не всегда компенсирует изменение сопротивления от температуры. Наиболее приемлемый вариант – это установка датчика температуры в игле. Но этого нет в ИВлаг.
15. Миф о точности безигольчатой влагометрии
Метод измерения влажности, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости от влажности называют диэлькометрическим или емкостным. Чаще всего с помощью этого метода создаются Влаг с датчиками, не требующими втыкания игл в древесину и их иногда называют бесконтактными или безигольчатыми (БВлаг).
На практике отделить реактивную составляющую (связанную с т. н. током смещения) от активной (связанной с током проводимости) очень сложно. Поэтому большинство емкостных Влаг фактически измеряет комплексное сопротивление. Для древесины диэлектрическая проницаемость вдоль волокон для ели составляет ?отн=3,06. С увеличением влажности ?отн увеличивается. Увеличиваются и потери (активная составляющая тока).
Современные тенденции развития средств контроля и управления требуют своих правил, к которым можно отнести: – высокая информативность метода измерения,
– возможность получения многопараметровых данных для комбинированной обработки для повышения точностных хар-к,
– высокое быстродействие контроля,
– бесконтактность измерения,
– высокая чувствительность в широком диапазоне,
– исключение влияния мешающих факторов,
– малая трудоемкость измерения,
– высокая проникающая способность,
– возможность измерения при резко меняющихся температурах,
– возможность измерения в труднодоступных местах,
– возможность сбора и обработки большого объема полученной информации при малых трудозатратах для регистрации и управления,
– возможность выбора большого количества электронных схем обработки, линеаризации, последующего ввода информации в компьютерные системы управления и регистрации,
– выявление новых оригинальных бесконтактных методов технологического контроля.
Все это подходит к диэлькометрической влагометрии.
На рис. 15.1 приведена хар-ка БВлаг, работающего в СВЧ диапазоне f=3000 мГц. Как видно из рисунка, при широком диапазоне влажностей имеет место большая относительная Погр, так как сказывается много мешающих факторов. На рис. 10.2. приведена хар-ка БВлаг, работающего в диапазоне ВЧ f=30 мГц. В этом случае диапазон измерения уже, но относительный разброс точек меньше. В обоих случаях, как показали исследования, ни анизотропия древесины, ни ее температура не оказывают влияния на погрешность измерения.
Из рис. 15.1., 15.2 видно, что на хар-ках отсутствуют зоны нечувствительности в диапазоне 0–8 %, характерные для ИВлаг.
Важное достоинство диэлькометрического метода измерения, делающего его весьма перспективным состоит в том, что можно: широко экспериментировать, комбинировать частоты для поиска оптимальных, уменьшать либо компенсировать влияние мешающих факторов.
В реальных хар-ках существует значительный разброс вдоль номинальной усредненной хар-ки. Они и устанавливаются на шкалы приборов. Чем больше будет замеров, тем больше точек будет в пространстве. При увеличении числа замеров мы будем приближаться к истинной хар-ке. Но в реальных процессах мы имеем дело с выборочными методами построения хар-к. Если мы возьмем другую партию образцов и будем строить новую хар-ку, то получим измененную номинальную хар-ку. При построении нескольких хар-к с разными партиями образцов, мы можем получить несколько смещенных друг относительно друга хар-к. Множество отдельных выборочных хар-к будут иметь свою нелинейность и положение в пространстве и колебаться “дышать” в пределах допусковой зоны.
На рис. 15.1.,15.2. Пунктиром выделены области, в пределах, которых может находиться множество экспериментальных точек. По мере приближения к номинальной хар-ке они будут плотнее располагаться друг к другу. Эти хар-ки имеют форму рога, который сужается к малым значениям влажности.
Рис. 15.1. Град. хар-ка БВлаг для диапазона 0–160 %.
Упрощенная модель датчика БВлаг может быть представлена в виде конденсатора. Древесина или любой другой материал – диэлектрик между обкладками конденсатора.
Рис. 15.2. Град. хар-ка БВлаг для дипазона измерения 0–30 %.
Рис. 15.3. Возможные варианты конструкций безигольчатых датчиков влажности. Односторонние: А) 3 скобы. Б) Концентрические кольца, В) Сплошной круг, Г) Двусторонний
Такие датчики выполняются в различных вариация и разделяются на две основные группы: двусторонние и односторонние. Последние чаще всего применяется в промышленности. Конструкции таких датчиков представлены на рис. 15.3 (а, б, в, г)
В настоящее время конкурируют несколько разновидностей односторонних преобразователей. Это конструкции в виде трех пружинистых скоб и плоских дисков или прямоугольников
Для конденсаторного датчика весьма условно (без учета краевого эффекта и др.) емкость равна:
где: S – площадь поверхности датчика
?о – абсолютная диэлектрическая проницаемость
?отн – относительная диэлектрическая проницаемость
